Типы вычислительных систем и их архитектурные особенности конспект

Обновлено: 07.07.2024

Первые компьютеры (автоматические электронные вычислительные машины с про­граммным управлением) были созданы в конце 40-х годов XX века и использовались только для вычис­лительной обработки информации. По мере развития компьютеры существенно уменьшились в размерах, обросли дополнительным оборудованием, необходи­мым для их эффективного использования. В 70-х годах компьютеры из вычислительных машин сначала превратились в вычислительные системы, а затем в инфор­мационно-вычислительные системы. В табл. показана эволюция технологий использования компьютерных систем.

Этапы развития технологии

50-е годы

60-е годы

70-е годы

80-е годы

Настоящее время

Цель использования компьютера (преимущественно)

Технические и экономические расчеты

Управление и экономические расчеты

Управление, предоставление информации

Телекоммуника­ции, информаци­онное обслуживание и управление

Режим работы компьютера

Пользователи с общей ком­пьютерной подготовкой

Работа за пультом компьютера

Обмен перфо-носителями и машинограммами

Интерактивный (через клавиатуру и экран)

Интерактивный с жестким меню

Как видно из таблицы, в настоящее время основные цели использования компьютеров — информационное обслуживание и управление, сейчас вычислительные машины и системы- по существу выполняют функции информационно-вычислительных систем.

Вычислительная система — это совокупность одного или нескольких компьютеров или процессоров, программного обеспечения и периферийного оборудования, организованная для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов. В вычислительной системе компьютер может быть один, но агрегированный с многофункциональным периферийным оборудованием. Стоимость периферийного оборудования часто во много раз превосходит стоимость компьютера. В качестве распространенного примера одномашинной ВС можно привести систему телеобработки информации. Но все же классическим вариантом ВС является многомашинный и многопроцессорный варианты.

Создание ВС преследует следующие основные цели:

Повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных;

Повышение надежности и достоверности вычислений;

Предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг.

Основные принципы построения, закладываемые при создании ВС:

возможность работы в разных режимах;

модульность структуры технических и программных средств - возможность совершенствовать и модернизировать вычислительные системы без коренных переделок;

унификация и стандартизация технических и программных решений:

иерархия в организации управления процессами;

способность систем к адаптации, самонастройке и самоорганизации;

обеспечение необходимым сервисом пользователей при выполнении вычислений.

Классифицируют ВС по:

целевому назначению и выполняемым функциям;

типам и числу компьютеров или процессоров;

методам управления элементами системы;

степени разобщенности элементов ВС.


Рассмотрим укрупненную схему компьютера:

1. Процессор (центральный процессор) — основной вычислительный блок компьютера, содержит важнейшие функциональные устройства:

устройство управления с интерфейсом процессора (системой сопряжения и связи процессора с другими узлами машины);

арифметико-логическое устройство;

процессорную память.

Процессор, по существу, является устройством, выполняющим все функции элементарной вычислительной машины.

2. Оперативная память — запоминающее устройство, используемое для оперативного хранения и обмена информацией с другими узлами машины.

3. Каналы связи (внутримашинный интерфейс) служат для сопряжения центральных узлов машины с ее внешними устройствами;

4. Внешние устройства обеспечивают эффективное взаимодействие компьютера с окружающей средой: пользователями, объектами управления, другими маши­нами. В состав внешних устройств обязательно входят внешняя память и уст­ройства ввода-вывода.

Вычислительная система может строиться на основе целых компьютеров — многомашинная ВС, либо отдельных процессоров — многопроцессорная ВС.

Вычислительные системы бывают:

Однородная ВС строится на основе однотипных компьютеров или процессоров, позволяет использовать стандартные наборы программных средств, типовые прото­колы (процедуры) сопряжения устройств. Их организация значительно проще, об­легчается обслуживание систем и их модернизация.

Неоднородная ВС включает в свой состав различные типы компьютеров или процессоров. При построении системы приходится учитывать их различные техни­ческие и функциональные характеристики, что существенно усложняет создание и обслуживание таких систем.

Вычислительные системы работают в:

оперативном режиме (on-line);

неоперативном режиме (off-line).

Различают ВС с централизованным и децентрализованным управлением. В пер­вом случае управление выполняет выделенный компьютер или процессор, во вто­ром — эти компоненты равноправны и могут брать управление на себя.

Кроме того, ВС могут быть:

территориально-сосредоточенными (все компоненты размещены в непосредст­венной близости друг от друга);

распределенными (компоненты могут располагаться на значительном расстоя­нии, например, вычислительные сети);

структурно одноуровневыми (имеется лишь один общий уровень обработки данных);

многоуровневыми (иерархическими) структурами. В иерархических ВС машины или процессоры распределены по разным уровням обработки информации, не­которые машины (процессоры) могут специализироваться на выполнении опре­деленных функций.

  • Для учеников 1-11 классов и дошкольников
  • Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Классификация вычислительных систем

По-видимому, самой ранней и наиболее известной является классификация архитектур вычислительных систем, предложенная в 1966 году М.Флинном [1,2]. Классификация базируется на понятии потока , под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором. На основе числа потоков команд и потоков данных Флинн выделяет четыре класса архитектур: SISD,MISD,SIMD,MIMD.

Итак, что же собой представляет каждый класс? В SISD, как уже говорилось, входят однопроцессорные последовательные компьютеры типа VAX 11/780. Однако, многими критиками подмечено, что в этот класс можно включить и векторно-конвейерные машины, если рассматривать вектор как одно неделимое данное для соответствующей команды. В таком случае в этот класс попадут и такие системы, как CRAY-1, CYBER 205, машины семейства FACOM VP и многие другие.

Бесспорными представителями класса SIMD считаются матрицы процессоров: ILLIAC IV, ICL DAP, Goodyear Aerospace MPP, Connection Machine 1 и т.п. В таких системах единое управляющее устройство контролирует множество процессорных элементов. Каждый процессорный элемент получает от устройства управления в каждый фиксированный момент времени одинаковую команду и выполняет ее над своими локальными данными. Для классических процессорных матриц никаких вопросов не возникает, однако в этот же класс можно включить и векторно-конвейерные машины, например, CRAY-1. В этом случае каждый элемент вектора надо рассматривать как отдельный элемент потока данных.

Класс MIMD чрезвычайно широк, поскольку включает в себя всевозможные мультипроцессорные системы: Cm*, C.mmp, CRAY Y-MP, Denelcor HEP,BBN Butterfly, Intel Paragon, CRAY T3D и многие другие. Интересно то, что если конвейерную обработку рассматривать как выполнение множества команд (операций ступеней конвейера) не над одиночным векторным потоком данных, а над множественным скалярным потоком, то все рассмотренные выше векторно-конвейерные компьютеры можно расположить и в данном классе.

Предложенная схема классификации вплоть до настоящего времени является самой применяемой при начальной характеристике того или иного компьютера. Если говорится, что компьютер принадлежит классу SIMD или MIMD, то сразу становится понятным базовый принцип его работы, и в некоторых случаях этого бывает достаточно. Однако видны и явные недостатки. В частности, некоторые заслуживающие внимания архитектуры, например dataflow и векторно--конвейерные машины, четко не вписываются в данную классификацию. Другой недостаток - это чрезмерная заполненность класса MIMD. Необходимо средство, более избирательно систематизирующее архитектуры, которые по Флинну попадают в один класс, но совершенно различны по числу процессоров, природе и топологии связи между ними, по способу организации памяти и, конечно же, по технологии программирования.

Наличие пустого класса (MISD) не стоит считать недостатком схемы. Такие классы, по мнению некоторых исследователей в области классификации архитектур [6,7], могут стать чрезвычайно полезными для разработки принципиально новых концепций в теории и практике построения вычислительных систем.

Гост

ГОСТ

Архитектура вычислительных систем — это структурная организация средств выполнения разнообразных математических и логических операций.

Введение

Основные понятия, связанные со структурной организацией вычислительных систем, следующие:

  1. Электронной системой называют любое электронное устройство, которое предназначено для работы с информацией.
  2. Задачей является список действий, подлежащих исполнению при помощи электронных систем.
  3. Быстродействие – это параметры скорости осуществления электронной системой возложенных на неё функций.
  4. Гибкость системы – это свойство системы перенастраиваться для осуществления различных задач.
  5. Избыточность системы — это соответствие уровня сложности задач, подлежащих решению, технологическим параметрам системы.
  6. Системный интерфейс — это набор условий информационного обмена, который подразумевает электронную, а также на основе структуры и логики, способность обмениваться данными между разными модулями, способными участвовать в этом процессе.

Блок-схема вычислительной системы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 1. Блок-схема вычислительной системы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Архитектурное построение вычислительных систем может быть с переменой структурой, это программируемые системы, а также с жёстко заданной структурой логики. Системы, выполненные с жёсткой логической структурой, отличаются неизменностью базовых принципов функционирования и хранения информации, которые имеют прямую зависимость от их схемной реализации. Такие системы, как правило, специализированные и рассчитаны на конкретный тип разрешаемых проблем.

Готовые работы на аналогичную тему

Программируемые или универсальные вычислительные системы могут адаптироваться практически ко всем типам решаемых задач. Их возможно перепрограммировать под выполнение разнообразных алгоритмов работы без замены существующих аппаратных средств. Смена рабочего алгоритма осуществляется загрузкой новой управляющей программы. Основным преимуществом этих систем является способность смены класса решаемых проблем без замены аппаратного обеспечения.

Процессор

Главным модулем вычислительной системы является процессор, который выполняет основную часть работы с информацией в такой системе. Процессор заменяет практически всю жёсткую логическую схему, которая была бы нужна в данном варианте. Главными процедурами, которые выполняет процессор, являются:

  1. Осуществление операций арифметики.
  2. Осуществление операций логики.
  3. Временное хранение командных кодов.
  4. Осуществление информационного обмена между блоками вычислительной системы.

Остальные блоки вычислительной системы необходимы для выполнения следующих процедур:

  1. Хранение информации, в том числе и программу управления.
  2. Обмен информацией с внешними устройствами.
  3. Взаимосвязь с пользователем.

Необходимо учитывать, блок процессора выполняет все действия последовательно, то есть выполняет по очереди все заданные в программе команды. С одной стороны, это отлично, но не очень хорошо с другой стороны, поскольку поочерёдное исполнение командных кодов ведёт к непосредственной связи времени исполнения алгоритма от его размеров и степени сложности.

Выполняемая в текущий момент времени команда, задана программой управления. Программа — это набор подлежащих исполнению действий, составленный разработчиком этой программы. Команда — это код, состоящий из цифр в бинарной системе счисления, который расшифровывается и исполняется процессором. Различные команды выполняются за различные временные промежутки, и это значит, что время, необходимое для исполнения всего программного набора команд, имеет зависимость, как от количества команд, так и от их назначения в программе. Полный перечень команд, которые может выполнить процессор, называется системой команд процессора. Она может иметь в своём составе от десятков до сотен команд.

Архитектура вычислительной системы

Базовая структура вычислительной системы включает следующие блоки:

  1. Блок процессора.
  2. Блок памяти, который состоит из оперативной и постоянной части.
  3. Блок ввода-вывода данных, служащий для информационного обмена с внешними устройствами.

Все блоки вычислительной системы объединяет общая шина или по-другому информационный канал, или системная магистраль. На рисунке два изображена обобщённая архитектура вычислительной системы.

Архитектура вычислительной системы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 2. Архитектура вычислительной системы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В состав системной магистрали входят четыре шины, которые являются шинами низкого уровня:

  1. Шина адреса.
  2. Информационная шина или шина данных.
  3. Шина управления.
  4. Шина питания.

Режимы работы вычислительной системы

Универсальность функционирования вычислительных систем достигается за счёт применения программного обеспечения, которое назначает все выполняемые действия. Кроме того, универсальность в осуществлении операций обеспечивает информационный обмен по системной магистрали. Практически любая вычислительная система способна функционировать в трёх режимах обмена данными по системной магистрали:

  1. В режиме программного информационного обмена.
  2. В режиме информационного обмена по программному прерыванию.
  3. В режиме информационного обмена при прямом доступе к памяти.

Для выполнения распределённой информационной обработки существуют многомашинные архитектуры вычислительных комплексов, которые делятся на:

Архитектура ВС — совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логическую и структурную органи­зацию системы. Понятие архитектуры охватывает общие принципы построения и функционирования, наиболее существенные для пользо­вателей, которых больше интересуют возможности систем, а не дета­ли их технического исполнения. Поскольку ВС появились как парал­лельные системы, то и рассмотрим классификацию архитектур с этой точки зрения.

Эта классификация архитектур была предложена М. Флинном в начале 60-х гг. В ее основу заложено два возможных вида параллелизма: независимость потоков заданий (команд), существу­ющих в системе, и независимость (несвязанность) данных, обраба­тываемых в каждом потоке. Классификация до настоящего времени еще не потеряла своего значения. Как и лю­бая классификация, она носит временный и условный характер. Сво­им долголетием она обязана тому, что оказалась справедливой для ВС, в которых ЭВМ и процессоры реализуют программные последо­вательные методы вычислений. С появлением систем, ориентирован­ных на потоки данных и использование ассоциативной обработки, данная классификация может быть некорректной.

Согласно этой классификации существует четыре основных ар­хитектуры ВС:

• одиночный поток команд - одиночный поток данных (ОКОД), в английском варианте

SISD - оди­ночный поток инструкций - одиночный поток данных;

• одиночный поток команд — множественный поток данных (ОКМД)

SIMD – одиночный поток инструкций – одиночный поток данных;

• множественный поток команд — одиночный поток данных (МКОД),

MISD - множественный по­ток инструкций - одиночный поток данных;

• множественный поток команд — множественный поток данных (МКМД),

MIMD - множе­ственный поток инструкций - множественный поток данных.

Коротко рассмотрим отличительные особенности каждой из архи­тектур.

Архитектура ОКОДохватывает все однопроцессорные и одно­машинные варианты систем, т.е. с одним вычислителем. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работы устройств ввода-вывода информации и процессора. Закономерности организа­ции вычислительного процесса в этих структурах достаточно хоро­шо изучены.

Поток данных Результаты

Архитектура ОКМДпредполагает создание структур вектор­ной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строят­ся как однородные, т.е. процессорные, элементы, входящие в систему, идентичны, и все они управляются одной и той же последова­тельностью команд. Но каждый процессор обрабатывает свой поток данных. Под эту схему хорошо подходят задачи обработки матриц или векторов (массивов), задачи решения систем линейных и нелинейных, алгебраических и дифференциальных уравнений, зада­чи теории поля и др. В структурах данной архитектуры желательно обеспечивать соединения между процессорами, соответствующие реализуемым математическим зависимостям. Эти свя­зи напоминают матрицу, в которой каждый процессорный элемент связан с соседними.

Поток данных Результаты

Узким местом подобных сис­тем является необходимость изменения коммутации между процессо­рами, когда связь между ними отличается от матричной. Кроме того, задачи, допускающие широкий матричный параллелизм, составляют достаточно узкий класс задач. Структуры ВС этого типа, по суще­ству, являются структурами специализированных суперЭВМ.

Архитектура МКОДпредполагает построение свое­образного процессорного конвейера, в котором результаты обработ­ки передаются от одного процессора к другому по цепочке. Выгоды такого вида обработки понятны. Прототипом таких вычислений мо­жет служить схема любого производственного конвейера. В совре­менных ЭВМ по этому принципу реализована схема совмещения опе­раций, в которой параллельно работают различные функциональные блоки, и каждый из них делает свою часть в общем цикле обработки команды.




Поток данных Результаты

Архитектура МКМДпредполагает, что все процессоры систе­мы работают по своим программам с собственным потоком команд. В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. Такая схема использования ВС часто применяется на многих круп­ных вычислительных центрах для увеличения пропускной способно­сти центра. Больший интерес представляет возможность согласован­ной работы ЭВМ (процессоров), когда каждый элемент делает часть общей задачи. Общая теоретическая база такого вида работ прак­тически отсутствует. Но можно привести примеры большой эффективности этой модели вычислений. Подобные системы могут быть многомашинными и многопроцессорными.

Поток данных Результаты

Архитектура ВС — совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логическую и структурную органи­зацию системы. Понятие архитектуры охватывает общие принципы построения и функционирования, наиболее существенные для пользо­вателей, которых больше интересуют возможности систем, а не дета­ли их технического исполнения. Поскольку ВС появились как парал­лельные системы, то и рассмотрим классификацию архитектур с этой точки зрения.

Эта классификация архитектур была предложена М. Флинном в начале 60-х гг. В ее основу заложено два возможных вида параллелизма: независимость потоков заданий (команд), существу­ющих в системе, и независимость (несвязанность) данных, обраба­тываемых в каждом потоке. Классификация до настоящего времени еще не потеряла своего значения. Как и лю­бая классификация, она носит временный и условный характер. Сво­им долголетием она обязана тому, что оказалась справедливой для ВС, в которых ЭВМ и процессоры реализуют программные последо­вательные методы вычислений. С появлением систем, ориентирован­ных на потоки данных и использование ассоциативной обработки, данная классификация может быть некорректной.

Согласно этой классификации существует четыре основных ар­хитектуры ВС:

• одиночный поток команд - одиночный поток данных (ОКОД), в английском варианте

SISD - оди­ночный поток инструкций - одиночный поток данных;

• одиночный поток команд — множественный поток данных (ОКМД)

SIMD – одиночный поток инструкций – одиночный поток данных;

• множественный поток команд — одиночный поток данных (МКОД),

MISD - множественный по­ток инструкций - одиночный поток данных;

• множественный поток команд — множественный поток данных (МКМД),

MIMD - множе­ственный поток инструкций - множественный поток данных.

Коротко рассмотрим отличительные особенности каждой из архи­тектур.

Архитектура ОКОДохватывает все однопроцессорные и одно­машинные варианты систем, т.е. с одним вычислителем. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работы устройств ввода-вывода информации и процессора. Закономерности организа­ции вычислительного процесса в этих структурах достаточно хоро­шо изучены.

Поток данных Результаты

Архитектура ОКМДпредполагает создание структур вектор­ной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строят­ся как однородные, т.е. процессорные, элементы, входящие в систему, идентичны, и все они управляются одной и той же последова­тельностью команд. Но каждый процессор обрабатывает свой поток данных. Под эту схему хорошо подходят задачи обработки матриц или векторов (массивов), задачи решения систем линейных и нелинейных, алгебраических и дифференциальных уравнений, зада­чи теории поля и др. В структурах данной архитектуры желательно обеспечивать соединения между процессорами, соответствующие реализуемым математическим зависимостям. Эти свя­зи напоминают матрицу, в которой каждый процессорный элемент связан с соседними.

Поток данных Результаты

Узким местом подобных сис­тем является необходимость изменения коммутации между процессо­рами, когда связь между ними отличается от матричной. Кроме того, задачи, допускающие широкий матричный параллелизм, составляют достаточно узкий класс задач. Структуры ВС этого типа, по суще­ству, являются структурами специализированных суперЭВМ.

Архитектура МКОДпредполагает построение свое­образного процессорного конвейера, в котором результаты обработ­ки передаются от одного процессора к другому по цепочке. Выгоды такого вида обработки понятны. Прототипом таких вычислений мо­жет служить схема любого производственного конвейера. В совре­менных ЭВМ по этому принципу реализована схема совмещения опе­раций, в которой параллельно работают различные функциональные блоки, и каждый из них делает свою часть в общем цикле обработки команды.

Поток данных Результаты

Архитектура МКМДпредполагает, что все процессоры систе­мы работают по своим программам с собственным потоком команд. В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. Такая схема использования ВС часто применяется на многих круп­ных вычислительных центрах для увеличения пропускной способно­сти центра. Больший интерес представляет возможность согласован­ной работы ЭВМ (процессоров), когда каждый элемент делает часть общей задачи. Общая теоретическая база такого вида работ прак­тически отсутствует. Но можно привести примеры большой эффективности этой модели вычислений. Подобные системы могут быть многомашинными и многопроцессорными.

Читайте также: